Giao diện giám sát thông số nhiệt độ được thiết kế trên phần mềm Visual studio 2015, sử dụng ngôn ngữ C# trên Windows Forms Application.
Hình 2.34. Giao diện hiển thị trên máy tính.
Giao diện giám sát thông số nhiệt độ gồm có những chức năng sau:
+ Thiết lập cổng COM: Chức năng để kết nối nút coordinator với máy tính bao gồm các sự kiện chọn port kết nối, tốc độ truyền, chọn số bit dữ liệu, bit parity, bit stop, và nút connect để kết nối.
+ Trên giao diện hiển thị được thiết kế với năm bảng tương ứng với năm nút cảm biến được đánh tên từ nút 1 đến nút 5. Trong mỗi bảng sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ của mỗi nút.
59
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1. Kiểm nghiệm hoạt động của mạng ZigBee
3.1.1. Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách và mở rộng tầm hoạt động của mạng
3.1.1.1. Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách giữa các nút trong mạng
Theo thông số kỹ thuật của XBee [8], thì mỗi XBee có tầm hoạt động lên tới 40 m đối với không gian có vật cản và 120m đối với không gian không có vật cản.
Hình 3.1. Khoảng cách hoạt động của 2 nút trong mạng.
Phương pháp tiến hành thử nghiệm
End device (hoặc Router) đọc giá trị nhiệt độ rồi gửi về cho coordinator sau mỗi 1 giây. Di chuyển nút end device (hoặc router) ra xa cho đến khi mất kết nối với coordinator từ đó xác định được khoảng cách truyền – nhận giữa hai nút.
Kết quả thử nghiệm
+ Không gian không có vật cản:
60
Tiến hành thực hiện thử nghiệm 10 lần đo ta thu được bảng kết quả sau:
Bảng 3.1. Bảng kết quả đo trong không gian không có vật cản
Số lần thực hiện Khoảng cách (m) 1 186 feet (186 x 0.3 = 55.8m) 2 186 feet (186 x 0.3 = 55.8m) 3 182 feet (182 x 0.3 = 54.6m) 4 186 feet (186 x 0.3 = 55.8m) 5 184 feet (184 x 0.3 = 55.2m) 6 180 feet (184 x 0.3 = 54m) 7 186 feet (186 x 0.3 = 55.8m) 8 188 feet (188 x 0.3 = 56.4m) 9 184 feet (184 x 0.3 = 55.2m) 10 186 feet (186 x 0.3 = 55.8m)
Khoảng cách có thể truyền - nhận trong không gian không có vật cản của thiết bị end device tới coordinator lấy trung bình cộng 10 lần đo ta thu được kết quả khoảng cách bằng 55.44m (184.8 feet, 184.8*0.3 = 55.44m). Thí nghiệm được thực hiện tại khuôn viên trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.
+ Không gian có vật cản:
Tiến hành thực hiện thử nghiệm 10 lần đo ta thu được bảng kết quả sau:
Bảng 3.2. Bảng kết quả đo trong không gian có vật cản
Số lần thực hiện Khoảng cách (m) 1 86 feet (86 x 0.3 = 25.8m) 2 76 feet (76 x 0.3 = 22.8m) 3 88 feet (88 x 0.3 = 26.4m) 4 90 feet (90 x 0.3 = 27m) 5 74 feet (74 x 0.3 = 22.2m) 6 80 feet (80 x 0.3 = 24m) 7 88 feet (88 x 0.3 = 26.4m) 8 96 feet (96 x 0.3 = 28.8m)
61
9 84 feet (84 x 0.3 = 25.2m)
10 88 feet (88 x 0.3 = 26.4m)
Khoảng cách có thể truyền - nhận tại không gian có vật cản của thiết bị end device tới coordinator lấy trung bình cộng 10 lần đo ta thu được kết quả khoảng cách bằng 25.5m (85 feet, 85*0.3 = 25.5m). Thí nghiệm được thực hiện ở hành làng tầng 3 tòa nhà C1, nút coordinator được đặt trong phòng đầu tiên của tâng 3, nút end divice được di chuyển ra ngoài và đi tới cuối hành lang.
1.3.1.2. Thí nghiệm mở rộng tầm hoạt động của mạng
Trong chuẩn ZigBee khả năng chuyển tiếp gói tin có thể truyền gói tin với khoảng cách xa hơn, đồng thời loại được ảnh hưởng của vật cản do bị che cắn. Xét cấu trúc mạng như sau:
Hình 3.3. Mô hình truyền thông qua một router. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô hình cấu trúc ở trên gồm một end device kết nối với router gần nhất. Bản thân một end device không có khả năng định tuyến, router sẽ thay mặt end device của nó quản lý nhận và gửi gói tin. Trong trường hợp này khoảng cách truyền - nhận được tăng lên (lớn hơn nhiều so với 55m) thì ta có thể đánh giá là ZigBee router có thể thực hiện chức năng chuyển tiếp gói tin.
Kết quả: Khoảng cách từ coordinator đến end device là hơn 100 mét (hơn 360 feet, 360*0.3=108m). Với khoảng cách như trên mà coordinator vẫn nhận được giá trị nhiệt độ từ end device chứng tỏ router đã hoạt động như mong muốn.
62
1.3.1.3. Thí nghiệm giải pháp truyền gói tin khi hai nút gặp vật cản không truyền được cho nhau
Ta có mô hình thí nghiệm như hình ở dưới:
Hình 3.4. Mô hình truyền giữa hai nút khi có vật cản.
Khi router 1 chưa kết nối vào mạng thì router 2 không thể truyền trực tiếp đến coordinator do có vật cản chắn ở giữa 2 nút. Vì vậy khi router 1 tham gia vào mạng thì router 2 tự động định tuyến và chuyển gói tin đến router 1 rồi truyền về coordinator.
Kêt quả: Thực hiện thí nghiệm thành công khi chuyển được gói dữ liệu của router 2 về coordinator bị chắn bởi vật cản là tòa nhà C1 qua router 1.
3.1.2. Thí nghiệm khả năng khôi phục liên kết hỏng trong định tuyến mạng
Mạng ZigBee được coi là mạng tự hình thành (self-forming networks). Sau khi hình thành mạng để chuyển tiếp tin nhắn từ một thiết bị đến thiết bị khác, con đường tối ưu nhất được lựa chọn. Tuy nhiên, nếu một trong những router bị hư hỏng hoặc không thể giao tiếp do cạn kiệt pin của nó, mạng có thể lựa chọn một tuyến đường thay thế. Vì thế, một trong những đặc điểm quan trọng nhất của mạng lưới ZigBee đã tự chữa lành mạng thông qua định tuyến mạng lưới.
63
Thí nghiệm này sử dụng cấu trúc mạng như hình sau:
Hình 3.5. Cấu trúc mạng phục hồi link hỏng.
Đầu tiên gửi dữ liệu từ end device đến coordinator. Sau đó cho end device xa coordinator cho đến khi liên kết bị ngắt kết nối. Sau đó, ta cho thêm những router 1 và router 2 để chuyển tiếp tin nhắn từ một end device. Sau khi kiểm tra ta thấy gói được chuyển tiếp qua router 1. Sau một khoảng thời gian ta tắt router 1 để End Device cần phải tìm một con đường khác để chuyển giao tin nhắn đến coordinator. Nếu sau đó đường liên kết được tìm qua router 2 đến coordinator thì kết luận mạng có khả năng phục hồi liên kết hỏng.
3.1.3. Kiểm nghiệm chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin
Trong môi trường không có vật cản
Ta tiến hành thử nghiệm với mô hình mạng như ở hình 3.1 trong môi trường không có vật cản.
- Thí nghiệm 1: Nút coordinator được đặt cách nút end device khoảng 40m
bên ngoài hành lang tầng 3 tòa nhà C1 trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Sử dụng phần mềm X-CTU với tính năng range test thiết lập thử nghiệm gửi 1000 gói tin từ nút coordinator cho nút end device. Nếu nút end device nhận được gói tin thì nó sẽ gủi phản hồi lại nút coordinator.
64
Hình 3.6. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 40m không có vật cản.
Kết quả: Với 1000 gói tin gửi đi từ coordinator thì có 614 gói tin truyền đi bị lỗi, coordinator nhận được gói tin phản hồi từ end device là 384 gói tin trong đó có 2 gói tin bị mất. Tỷ lệ truyền nhận gói tin 38.40%.
Thí nghiệm 2: Nút coordinator được đặt cách nút end device khoảng 25m
bên ngoài hành lang tầng 3 tòa nhà C1. Sử dụng phần mềm X-CTU với tính năng range test thiết lập thử nghiệm gửi 1000 gói tin từ nút coordinator cho nút end device. Nếu nút end device nhận được gói tin thì nó sẽ gủi phản hồi lại nút coordinator.
65
Hình 3.7. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 25m không có vật cản.
Kết quả: Với 1000 gói tin gửi đi từ coordinator thì có 121 gói tin truyền đi bị lỗi, coordinator nhận được gói tin phản hồi từ end device là 860 gói tin trong đó có 18 gói tin bị mất. Tỷ lệ truyền nhận gói tin thành công là 86.09%.
Trong môi trường có vật cản
Ta thiến hành thử nghiệm với mô hình mạng như ở hình 3.1 trong môi trường có nhiều vật cản.
Nút coordinator được đặt trong phòng 316A của toàn nhà C1 còn nút end device được đặt trong phòng 320, hai phòng cách nhau khoảng 15m. Sử dụng phần mềm X-CTU với tính năng range test thiết lập thử nghiệm gửi 1000 gói tin từ nút coordinator cho nút end device. Nếu nút end device nhận được gói tin thì nó sẽ gủi phản hồi lại nút coordinator. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
66
Hình 3.8. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở khoảng cách 15m trong môi trường có vật cản.
Kết quả: Với 1000 gói tin gửi đi từ coordinator thì có 393 gói tin truyền đi bị lỗi, coordinator nhận được gói tin phản hồi từ end device là 594 gói tin trong đó có 13 gói tin bị mất. Tỷ lệ truyền nhận gói tin là 59.40%.
3.2. Đánh giá năng lượng tiêu thụ và dự đoán tuổi thọ pin
Trong mạng cảm biến không dây, hiệu suất năng lượng là một chỉ số chức năng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ sống của hệ thống. Thay pin thường xuyên cho những nút cảm biến hỏng trong mạng cảm biến không dây lớn là không thuận tiện do sự giới hạn về địa hình và không gian và cũng do môi trường nguy hiểm trong những chỗ mà cảm biến được đặt. Bởi vậy, phương pháp tốt nhất để tiết kiệm năng lượng là thiết lập cơ chế ngủ. Đo năng lượng tiêu thụ là chỉ thực hiện cho End Device với coordinator thì nguồn cung cấp tại trạm gốc.
67
Trong thí nghiệm này, một End Device được cấu hình trong một chế độ chu kỳ giấc ngủ (SM=4). Sau khi truyền dẫn đã hoàn thành, End Device sẽ trở về chế độ ngủ cho một chu kỳ ngủ khác. Để giám sát mức tiêu thụ hiện tại và thời gian cho chế độ hoạt động của các End Device, chúng ta đặt một điện trở với một giá trị R = 10 Ω giữa nguồn điện áp và pin cung cấp của End Device. Sơ đồ thực hiện phép đo được thể hiện như hình dưới đây [11]:
Hình 3.9. Cấu hình thí nghiệm phép đo.
Trong thí nghiệm này coordinator được đặt cách thiết bị end device 1 m, trong khi điện áp và biểu đồ thời gian cho hoạt động truyền dữ liệu của nút cảm biến đến coordinator được minh họa trong hình 3.10.
68
Hình 3.10. Đo điện áp cung cấp trong việc truyền khung dữ liệu trong các giai đoạn khác nhau.
Bảng 3.3 cho thấy mức tiêu thụ hiện tại và các khoảng thời gian trong các chế độ khác nhau của một end device.
Bảng 3.3: Phép đo hiện tại của một end device
Tham số Giai đoạn Giá trị
Cường độ dòng điện hiện tại trong chế độ ngủ (Ing1) 1 0.8 mA Thời gian bật/tắt của module thu phát (tbt2)
2
3 ms Cường độ dòng điện trong chế độ bật/tắt của
module thu phát (Ibt2)
10 mA
Thời gian tiêu thụ điện năng của các Led và cảm
biến nhiệt độ trước khi truyền (tled3) 3
19 ms Cường độ dòng điện tiêu thụ của các Led và cảm
biến nhiệt độ trước khi truyền (Iled3)
69 Thời gian lắng nghe trước khi truyền (tln4)
4
4 ms Cường độ dòng điện trong chế độ lắng nghe trước
khi truyền (Iln4)
46 mA
Thời gian truyền (ttr5)
5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4 ms Cường độ dòng điện trong chế độ truyền (Itr5) 44 mA
Thời gian lắng nghe sau khi truyền (tln6)
6
7 ms Cường độ dòng điện trong chế độ lắng nghe sau khi
truyền (Iln6)
52 mA
Điên áp pin 3.6V
Dung lượng pin 1200 mAh
Dựa trên các phép đo thực tế ta có thể tính toán cường độ dòng điện ở mỗi chế độ. Giá trị cường độ dòng điện trung bình tiêu thụ bởi nút cảm biến để truyền một gói tin dữ liệu được thể hiện trong phương trình (1).
Ihd = (Ibt2tbt2)+(Iled3tled3)+(Iln4tln4)+(Itr5ttr5)+(Iln6tln6)
thd (1)
Trong đó: thd là thời gian hoạt động của nút cảm biến được tính toán như trong phương trình (2).
thd = tbt2 + tled3+ tln4 + ttr5 + tln6 (2)
Từ đó ta có thể tính giá trị cường độ dòng điện tiêu hao như sau [12]: Ith = thd
T Ihd + (1 − thd
T )Ing1 (3) Trong đó: T là thời gian giữa hai lần truyền liên tiếp.
Tuổi thọ tính theo ngày của pin với dung lượng C (mAh) có thể được đánh giá từ Ith như sau:
L = C/Ith
70
Dựa vào những phân tích trên, ta sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab để tiến hành đánh giá tuổi thọ của nút cảm biến không dây XBee ZB với những giá trị khác nhau của thời gian giữa hai lần truyền liên tiếp như thể hiện trong hình 3.11.
Hình 3.11. Dự đoán tuổi thọ pin của nút cảm biến.
Trong hình 3.11 tuổi thọ của nút cảm biến không dây sẽ tăng lên khi tăng khoảng thời gian giữa hai lần truyền liên tiếp. Rõ ràng ta thấy rằng tuổi thọ của nút cảm biến sẽ tăng lên khi ta sử dụng pin lithium có dung lượng cao. Ngoài ra để giảm việc tiêu thụ năng lượng của nút một cách hiệu qua thì ta thực hiện tăng khoảng thời gian ngủ và giảm thời gian hoạt động sẽ giúp cải thiện tuổi thọ của nút cảm biến.
71
3.3. Kiểm nghiệm hoạt động của toàn bộ mô hình mạng ứng dụng trong nhà kính tại khu nông nghiệp công nghệ cao của trường Đại học Công nghệ Thông kính tại khu nông nghiệp công nghệ cao của trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.
Sơ đồ bố chí các nút cảm biến trong khu vực nhà kính.
Hình 3.12. Sơ đồ bố trị các nút cảm biến.
Hệ thống thu thập giá trị nhiệt độ bao gồm 6 nút cảm biến: 1 nút coordinator, 2 nút router, 3 nút end device. Các nút được bố trí trong khu vực nông nghiệp công nghệ cao theo một số yêu cầu của các kỹ sư trồng trọt như sau:
+ Nút coordinator đặt trong nhà kỹ thuật và được ghép nối với máy tính. + Nút end device 1 (nút số 2 trên giao diện máy tính) và end device 2 (nút số 5) đo giá trị nhiệt độ bên trong khu vực trồng rau theo phương pháp thủy canh.
+ Nút end device 3 (Nút số 1) đo giá trị nhiệt độ bên trong khu trồng rau bằng giá thể.
+ Nút router 2 (nút số 4) đo giá trị nhiệt độ bên trong khu trồng dâu tây. + Nút router 1 (nút số 3) đo giá trị nhiệt độ môi trường bên ngoài nhà kính để so sánh nhiệt độ chênh lệnh bên trong và bên ngoài nhà kính. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
72
Hình 3.13. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ trong khu vực trồng rau bằng phương pháp thủy canh.
Hình 3.14. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng rau bằng giá thể.
73
Hình 3.16. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ môi trường.
Trên giao diện máy tính thiết lập kết nối cổng COM với các thông số lựa chọn như sau: Port kết nối giữa máy tính và nút coordinator là COM 4, Baud rate là 115200 (đây là tốc độ truyền tốt nhất [11]), lựa chọn 8 bit data, không bit parity, và 1 bit stop được thể hiện như hình sau.
74
Khi các nút được cấp nguồn coordinator sẽ tạo ra một mạng với một địa chỉ PAN ID đã được cấu hình sẵn. Sau đó các nút router, end device được cấu hình PAN ID giống coordinator sẽ khám phá và tham gia vào mạng. Giá trị nhiệt độ tại các nút trong các khu vực khác nhau sẽ gửi về nút coordinator theo chuẩn ZigBee và hiện thị nên máy tính cho phép người dùng theo dõi và giám sát.
75
KẾT LUẬN 1. Kết quả đạt được
Trong quá trình thực hiện luận văn em đã thu được những kết quả sau đây: + Hiểu được về công nghệ mạng cảm biến không dây và công nghệ ZigBee. + Xây dựng thành công mạng cảm biến không dây theo chuẩn ZigBee sử dụng định tuyến mạng mesh gồm 6 nút cảm biến. Mạng cảm biến được kết nối với máy tính để hiển thị các giá trị nhiệt độ của mỗi nút lên phần mềm giao diện để người sử dụng giám sát.
+ Xây dựng được kịch bản mô phỏng từ đó đánh giá khả năng định tuyến cấu hình của mạng.
+ Đánh giá được năng lượng của mỗi nút cảm biến.